DE69113616T2 - Seitenkanalpumpe. - Google Patents

Seitenkanalpumpe.

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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Regenerativpumpe derjenigen Bauart, die ein Gehäuse mit einem Pumpeneinlaß und einem Pumpenauslaß, ein Flügelrad, das drehbar innerhalb des Gehäuses eingebaut ist und eine Vielzahl Flügel hat, die eine Reihe im Winkelabstand zueinander um die Rotationsachse des Flügelrads angeordneter Zellen aufweist, und einen Strömungskanal innerhalb des Gehäuses, der sich zwischen dem Pumpeneinlaß und dem Pumpenauslaß erstreckt und einen im Gehäuse entlang dem Flügelrad angeordneten Führungskanal aufweist, so daß die Zellen sich seitlich der Rotationsebene des Flügelrads in den Führungskanal öffnen und mit diesem zusammenwirken, um eine spiralförmige oder schraubenförmige Fluidströmung durch den Führungskanal und die Zellen entlang der Abmessung des Strömungskanals zu erzeugen, wenn das Flügelrad gedreht wird, wobei jeder Flügel eine Hinterfläche mit einem in Radialrichtung variierenden Profil aufweist.
  • Bei bekannten Regenerativpumpen dieser Bauart können sich die Flügel des Flügelrads perpendikulär in bezug auf die Rotationsebene des Flügelrads erstrecken oder sie können aus dieser perpendikulären Ebene in Rotationsrichtung an ihren Außenkanten vorwärts geneigt sein, so daß die Zellen sich effizienter füllen und das Fluid in Richtung auf den Führungskanal schleudern, wenn sich das Flügelrad dreht Üblicherweise sind die Flügel in einem Winkel von etwa 45 Grad geneigt und die entgegengesetzten Flächen jedes Flügels sind eben und parallel zueinander und gehen an ihren Außenkanten in eine ebene Außenfläche des Flügels über, die parallel zur Rotationsebene des Flügelrads ist und die eng mit den Innenflächen des Gehäuses zusammenwirkt, um den Fluidstrom in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Zellen zu begrenzen, insbesondere in dem Bereich, der als Abstreifer zwischen dem Pumpenauslaß und dem Pumpeneinlaß bekannt ist. In allen Fällen sind die Flügel über ihre Radialabmessung von einem im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt; insbesondere die Bereiche neben dem Pumpeneinlaß und dem Führungskanal haben denselben Querschnitt.
  • Die japanische Patentanmeldung 55-161 996 zeigt einen Wirbelströmungsventilator, bei dem die Kanten der Flügelradflügel an einer Seite des Wirbelzentrums in einer Richtung und auf der anderen Seite des Wirbelzentrums in die entgegengesetzte Richtung abgeschrägt sind, ohne daß die Anordnung des Einlaßkanals des Ventilators beachtet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regenerativpumpe der vorstehend geschilderten Art mit einem verbesserten Betriebsverhalten zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäß hat jeder Flügel einer Regenerativpumpe der vorstehend geschilderten Bauart eine Hinterfläche mit einem in Radialrichtung variierenden Profil und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterfläche jedes Flügels über einen ersten Radialabschnitt neben zumindest einem Teil des Pumpeneinlasses in Rotationsrichtung auf seine Außenkante hin vorwärts geneigt ist, verglichen mit der Hinterfläche des Flügels über einen zweiten Radialabschnitt neben zumindest einem Teil des in Radialrichtung vom Pumpeneinlaß beabstandeten Führungskanals.
  • Die Neigung der Hinterflächen der Flügel des Flügelrads über diesen ersten Radialabschnitt neben dem Pumpeneinlaß ist so gewählt, daß instabile Strömungsverhältnisse und Kavitationsneigungen in diesem Bereich reduziert sind, um dadurch Sekundärbewegungen in dem radial nach außen gerichteten Strom innerhalb der Zellen zu reduzieren. Die Rezirkulationsströmung im Führungskanal wird dadurch vergrößert und der durch die Pumpe erzeugte Kopfdruck erhöht. Des weiteren werden Strömungsverluste innerhalb der Pumpe reduziert und die Pumpeneffizienz wird vergrößert. Diese Verbesserungen sind besonders unter niedrigen Einlaßdruckbedingungen wichtig und helfen, den Beginn der Dampfbildung in der Pumpe zu verzögern, was die Durchströmung blockieren würde.
  • Die Neigung der Hinterfläche des Flügels über diesen zweiten Radialabschnitt neben dem Führungskanal ist so gewählt, daß sie der Strömung zwischen den Zellen und dem Führungskanal entspricht, wenn das Fluid zwischen den beiden rezirkuliert. Dies schließt einen Unterschied in der Neigung der Hinterflächen dieser ersten und zweiten Radialabschnitte ein, wobei die Hinterfläche des ersten Radialabschnitts in Rotationsrichtung auf seine Außenkante hin relativ vorwärts geneigt ist.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die relative Vorwärtsneigung der Hinterfläche über den ersten Radialabschnitt des Flügels durch eine Abschrägung erzeugt, die sich über den hinteren äußeren Bereich des Flügels erstreckt. Die Vorder- und die Hinterflächen jedes Flügels können im wesentlichen parallel sein, mit der Ausnahme dieser Abschrägung der Hinterfläche über diesen ersten Radialabschnitt.
  • Vorzugsweise hat die Außenkante jedes Flügels eine ebene, zur Rotationsebene des Flügelrads parallele Oberfläche, so daß sie mit benachbarten Abschnitten der Innenwandung des Gehäuses zusammenwirkt und dazwischen den unerwünschten Fluidstrom in Umfangsrichtung begrenzt. Beispielsweise ist es für die Flügel notwendig, mit dem Abstreifer zwischen dem Pumpenauslaß und dem Pumpeneinlaß zusammenzuwirken, um den unmittelbaren Fluidstrom dazwischen zu begrenzen. Des weiteren, daß, falls der Pumpeneinlaß und der Führungskanal in Radialrichtung zueinander beabstandet sind, der Abschnitt der Flügel zwischen dem Pumpeneinlaß und dem Führungskanal vorzugsweise eine ebene äußere Oberfläche hat, die breit genug ist, um die Rückströmung vom Führungskanal zum Pumpeneinlaß zu beschränken.
  • Bei demjenigen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Hinterflächen der Flügel abgeschrägt sind, um diese relative Vorwärtsneigung zu erzeugen, ist die Abschrägung vorzugsweise so, daß eine ebene Oberfläche auf der Außenkante des Flügels verbleibt, obwohl diese schmaler sein kann als andere Abschnitte der ebenen äußeren Oberfläche längs der gesamten radialen Kante des Flügels.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Figur 1 einen Schnitt durch eine Regenerativpumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Figur 2 eine Seitenansicht der Regenerativpumpe gemäß Figur 1;
  • Figur 3 einen Schnitt durch einen Teil des Flügelrads der Pumpe längs der Linie X - X in Figur 2;
  • Figur 4 einen Schnitt durch einen Teil des Flügelrads der Pumpe längs der Linie Y - Y in Figur 2;
  • Figur 5 einen Schnitt durch eine der in Figur 1 ähnliche Regenerativpumpe mit einer unterschiedlichen Anordnung von Pumpeneinlaß und Pumpenauslaß;
  • Figur 6 eine Seitenansicht der Pumpe gemäß Figur 5;
  • Figur 7 einen Graphen, der den Hauptkoeffizienten (HC) gegen den Fließkoeffizienten (QC) der Pumpe gemäß Figur 1 darstellt; und Figur 8 einen Graphen, der den positiven Nettosaugdruck (NPSP) gegen die Druckdifferenz über die Pumpe (Delta B) für die Pumpe gemäß Figur 1 darstellt.
  • Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Regenerativpumpe hat ein Gehäusel, das eine Welle 2 in Lagern 3 drehbar lagert und eine zylindrische Kammer 4 ausbildet, in der ein Flügelrad 5 aufgenommen ist, das auf der Welle 2 angebracht ist. Das Flügelrad 5 hat eine Nabe 6 und einen Ringkranz 7, der sich radial auswärts der Nabe 6 erstreckt und auf beiden Seiten einen Satz Flügel 8 trägt, die sich seitlich und radial in bezug auf den Ringkranz 7 erstrecken. Die Flügel 8 sind einstückig mit der Nabe 6 und dem Ringkranz 7 ausgebildet und an ihrem Außenumfang einem zylindrischen Profil angepaßt, so daß sie in enger Passung innerhalb der Kammer 4 aufgenommen werden können.
  • Die Flügel 8 auf jeder Seite des Ringkranzes 7 erstrecken sich mit einem Winkel von etwa 45 Grad zur zentralen Rotationsebene Z - Z des Ringkranzes, wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, in Rotationsrichtung R des Flügelrads weg vom Ringkranz. Die Zwischenräume 9 zwischen den Flügeln 8 bilden einen Ring von Zellen auf jeder Seite des Flügelrads.
  • Das Gehäuse 1 ist in zwei Abschnitten 11, 12 ausgebildet, die einander in der Zentralebene des Flügelrads 5 treffen. In der Seitenwandung jedes Abschnitts 11, 12 ist ein Pumpeneinlaß 13 ausgebildet; die Pumpeneinlässe 13 öffnen sich einander gegenüberliegend und neben dem mittleren Bereich der Zellen 9 in die Kammer 4. Ein Pumpenauslaß 14 ist in der Seitenwandung jedes Abschnitts 11, 12 des Gehäuses ausgebildet; die Pumpenauslässe 14 öffnen sich einander gegenüberliegend und neben dem mittleren Bereich der Zellen 9, jedoch an einer Stelle, die in Richtung des Rotationswinkels R des Flügelrads um etwa 225 Grad von den Pumpeneinlässen 13 versetzt ist, wie in Figur 2 gezeigt, in die Kammer 4.
  • Ein Führungskanal 15 ist so in den Seitenwandungen jedes Abschnitts 11, 12 des Gehäuses ausgebildet, daß er sich in die Kammer 4 öffnet. Dieser Kanal 15 erstreckt sich längs dem äußeren Bereich des Flügelrads über einen Winkel von etwa 315 Grad zwischen dem Pumpeneinlaß 13 und dem Pumpenauslaß 14 Der ununterbrochene Bereich 16 der Seitenwandung des Gehäuses zwischen den geschlossenen Bnden des Führungskanals wirkt als Abstreifer, der den direkten Strom von Fluid vom Pumpenauslaß 14 zum Pumpenauslaß 13 begrenzt, wie aus der folgenden Beschreibung der Betriebsweise der Pumpe deutlich werden wird.
  • Im Betrieb dreht sich das Flügelrad 5 in der Richtung R und dient dazu, mittels Zentrifugalkraft eine radial nach außen gerichtete Fluidströmung in den Zellen 9 zu erzeugen. Am äußeren Umfang des Rotors wird das Fluid seitlich nach außen in die Führungskanäle 15 geleitet, wo es nach innen zurück in die Zellen 9 rezirkuliert wird. Diese Rezirkulationswirkung setzt sich über die gesamte Länge jedes Führungskanals 15 fort, wenn sich das Flügelrad dreht, wodurch der Fluiddruck erhöht wird, bis das Fluid durch den Pumpenauslaß 14 ausgelassen wird. Es ist klar, daß Fluid in den Zellen 9 am Abstreifer 16 zwischen den geschlossenen Enden des Führungskanals 15 vorbeitransportiert wird, jedoch begrenzt der kleine Abstand zwischen den Aussenkanten 17 der Flügel 8 und der Innenfläche des Abstreifers den Fluidstrom unmittelbar dazwischen vom Pumpenauslaß 14 zurück zum Pumpeneinlaß 13.
  • Für eine vorstehend beschriebene Pumpe ist es bekannt, ein Flügelrad vorzusehen, bei dem die Flügel 8, wie in Figur 4 dargestellt, über ihre Radialerstreckung einen einheitlichen Querschnitt aufweisen, wobei die Vorderfläche 18 jedes Flügels etwa parallel zur Hinterfläche 19 jedes Flügels ist. Dagegen ist die erfindungsgemäße Pumpe so angepaßt, daß die Hinterfläche 19 jedes Flügels in dem Bereich, der neben dem Pumpeneinlaß 13 vorbeiläuft, so angepaßt ist, daß sie in Richtung auf ihre Außenkante in Drehrichtung vorwärts geneigt ist. Wie in Figur 2 dargestellt, hat der Bereich jedes Flügels 8 zwischen einem Flügelradradius R1, der der Innenkante des Pumpeneinlasses 13 entspricht, und einem Flügelradradius R2, der der Innenkante des Führungskanals 15 entspricht, seine Hinterfläche 19 in Richtung seiner Außenkante vorwärts geneigt, wie in Figur 3 dargestellt, im Vergleich zur Hinterfläche 19 längs dem Rest des Flügels, wie in Figur 4 dargestellt.
  • Diese Neigung wird in einfacher Weise durch Ausbildung einer Abschrägung 20 auf den äußeren Bereich der Hinterfläche ausgebildet, wobei ein flacher Abschnitt 21 auf der Außenkante des Flügels vorzugsweise über zumindest 1/3 der gesamten, nicht abgeschrägten Weite der Außenkante verbleibt, wie in Figur 4 dargestellt. Üblicherweise wird die Abschrägung mit einem Winkel von etwa 22,5 Grad in bezug auf die nicht abgeschrägte Hinterfläche 19 gebildet.
  • Die Wirkung dieser Änderung des Profils der Hinterfläche 19 jedes Flügels 8 wird in den Figuren 7 und 8 dargestellt.
  • Figur 7 zeigt die Testergebnisse zur Bestimmung des Hauptdruckkoeffizienten HC und der Pumpeneffizienz E gegen den Strömungskoeffizienten QC der Pumpe. Die Tests wurden bei einer Flügelraddrehzahl von 8000 U/min und einem Pumpeneinlaßdruck von 20 p.s.i. durchgeführt. Die Ergebnisse werden durch die Kurven A in Figur 7 dargestellt und werden mit Kurven P verglichen, die auf den Ergebnissen ähnlicher Tests bei derselben Pumpe basieren, wobei die Pumpe jedoch ein Flügelrad mit Flügeln eines einheitlichen Querschnittes (dargestellt in Figur 4) über deren gesamte Abmessung aufweist. Aus diesen Kurven geht eindeutig hervor, daß die Wirkung der Abschrägung 20 auf den Hinterflächen der Flügel den erzeugten Hauptdruck und die Pumpeneffizienz über den gesamten Betriebsbereich erhöht.
  • Figur 8 zeigt die Ergebnisse eines Tests zur Bestimmung der Druckdifferenz Delta B, die über die Pumpe erzeugt wird, bei niedrigen Werten des positiven Nettosaugdruckes NPSP. Wiederum werden die Ergebnisse der Pumpe, die durch die Kurve A gezeigt werden, mit den Ergebnissen, die durch die Kurve B gezeigt werden, für dieselbe Pumpe verglichen, wobei letztere ein Flügelrad mit Flügeln eines einheitlichen Querschnitts über deren Abmessungen (dargestellt in Figur 4) aufweist. Aus diesen Kurven geht eindeutig hervor, daß Delta B als Ergebnis der Abschrägung 20 auf der Hinterfläche der Flügel weniger schnell absinkt.
  • Diese Verbesserungen im Betrieb können des weiteren durch Vergleiche mit derselben Pumpe dargestellt werden, wobei letztere jedoch ein Flügelrad hat, bei dem die Abschrägung radial auswärts über die Innenkante des Führungskanals 15 beim Radius R2 ausgedehnt ist. In einem Fall wurde die Abschrägung bis zur Außenkante des Pumpeneinlasses 13 beim Radius R3 ausgedehnt, und die durch die Kurven C in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ergebnisse wurden erreicht; in einem weiteren Fall wurde die Abschrägung 20 über die gesamte radiale Abmessung der Flügel ausgedehnt und die durch die Kurven D in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ergebnisse wurden erreicht. Die Ergebnisse in Figur 7 stellen fest, daß die Abschrägung 20 zu einem verbesserten Hauptdruck HC und zu einer verbesserten Effizienz E führt, jedoch zeigt Figur 8, daß die Abschrägung 20 eine entgegengesetzte Wirkung auf den Pumpenbetrieb bei niedrigen Werten des positiven Nettosaugdrucks NPSP hat, falls sie sich bis in den Bereich neben dem Führungskanal 15 erstreckt. In den beiden mit einer radial ausgedehnten Abschrägung einhergehenden Fällen nimmt die Abstiegsrate von Delta B auf unter 4 p.s.i. stark zu, was zu einer frühen Dampfblasenbildung in der Pumpe im Vergleich zu der mit dem dargestellten teilweise abgeschrägten Flügelrad versehenen Pumpe führt.
  • Die Regenerativ- bzw. Seitenkanalpumpe, wie sie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, hat die Pumpeneinlässe 13 und die Pumpenauslässe 14 beide auf einem Radius des Führungskanals 15. Die beiden Sätze Zellen 9 auf den entgegengesetzten Seiten des Flügelrads haben jeweils einen separaten Pumpeneinlaß 13 und Pumpenauslaß 14, die mittels äußerer Verbindungen parallel miteinander verbunden sind.
  • Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt, in denen die beiden Sätze Zellen 9 auf entgegengesetzten Seiten des Flügelrads durch den Ringkranz 7 an der Wurzel der Flügel 8 mittels Löchern 10 miteinander verbunden sind. Aufgrund der Verbindung der Zellen 9 ist nur ein Pumpeneinlaß 13 in der Seitenwandung eines Gehäuseabschnitts 11 auf einer Seite des Flügelrads vorhanden, und nur ein Pumpenauslaß 14 in der Seitenwandung des anderen Gehäuseabschnitts 12 auf der anderen Seite des Flügelrads. Des weiteren sind der Pumpeneinlaß 13 und der Pumpenauslaß 14 zu dem Führungskanal 14 beide radial einwärts versetzt. Aus diesem Grund verbleibt bei der Pumpe ein Flüssigkeitsring am Außenumfang des Flügelrads, der dabei hilft, den Pumpenbetrieb aufrecht zu erhalten, wenn das gepumpte Fluid eine Mischphase aus Gas und Flüssigkeit ist. Die Pumpe ist daher selbstansaugend.
  • Die Hinterfläche 19 jedes Flügels 8 des Flügelrads 5 ist mit einer Abschrägung 20 des gleichen Querschnitts wie in Figur 3 gezeigt, ausgebildet, und diese Abschrägung erstreckt sich in Radialrichtung zum Außenrand des Pumpeneinlasses 13 beim Radius R3, wie in Figur 6 dargestellt. Die radiale Trennung des Pumpeneinlasses 13 und des Führungskanals 15 erlaubt der Abschrägung 20, sich über die gesamte Abmessung des Pumpeneinlasses 13 ohne Überlappung des Führungskanals 15 zu erstrecken, wie in der Ausführungsform gemäß der Figuren 1 und 2.
  • In alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die ebene Abschrägung 20 der Hinterfläche 19 der Flügel 8 durch eine gekrümmte Oberfläche ersetzt werden, jedoch wird vorzugsweise der ebene Abschnitt 21 auf der Außenkante des Flügels beibehalten. In anderen alternativen Ausführungsformen kann die Vorwärtsneigung der Hinterfläche 19 durch Vorwärtsbiegung des entsprechenden Bereichs des Flügels in Richtung auf seine Außenkante erreicht werden.

Claims (9)

1. Regenerativpumpe mit einem Gehäuse (1) mit einem Pumpeneinlaß (13) und einem Pumpenauslaß (14), einem Flügelrad (5), das drehoar innerhalb des Gehäuses (1) eingebaut ist und eine Vielzahl Flügel hat, die eine Reihe von Zellen (9) bilden, die im Winkelabstand zueinander um die Rotationsachse des Flügelrads (5) angeordnet sind, und einem Strömungskanal innerhalb des Gehäuses, der sich zwischen dem Pumpeneinlaß (13) und dem Pumpenauslaß (14) erstreckt und einen Führungskanal (15) im Gehäuse (1) aufweist, der längs dem Flügelrad (5) angeordnet ist, so daß die Zellen (9) sich seitlich der Rotationsebene des Flügelrads in den Führungskanal (15) öffnen und mit diesem zusammenwirken, um eine spiralige oder schraubenförmige Fluidströmung durch den Führungskanal (15) und die Zellen längs der Länge des Strömungskanals zu erzeugen, wenn das Flügelrad (5) gedreht wird, wobei jeder Flügel (8) eine Hinterfläche mit einem sich in Radialrichtung ändernden Profil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterfläche jedes Flügels über einen ersten Radialabschnitt (20) neben zumindest einem Teil des Pumpeneinlasses (13) in Rotationsrichtung (R) auf seine Außenkante (17) hin vorwärts geneigt ist, verglichen mit der Hinterfläche (19) des Flügels über einen zweiten Radialabschnitt neben zumindest einem Teil des Führungskanals (15), der in Radialrichtung zum Pumpeneinlaß beabstandet ist.
2. Regenerativpumpe nach Anspruch 1, bei der der Pumpeneinlaß (13) und der Führungskanal (15) einander in Radialrichtung überlappen und der erste Radialabschnitt (20) der Abschnitt neben dem Pumpeneinlaß (13) ist, der in Radialrichtung zum Führungskanal (15) beabstandet ist.
3. Regenerativpumpe nach Anspruch 1, bei der der Pumpeneinlaß (13) und der Führungskanal (15) in Radialrichtung zueinander beabstandet sind und der erste Radialabschnitt (20) der Abschnitt ist, der neben dem Pumpeneinlaß (13) ist und kurz vor dem Führungskanal (13) endet.
4. Regenerativpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Pumpeneinlaß (13) und der Pumpenauslaß (14) radial einwärts zum Führungskanal (15) beabstandet sind.
5. Regenerativpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die relative Vorwärtsneigung der Hinterfläche (19) über den ersten Radialabschnitt des Flügels (8) mittels einer Abschrägung (20) erzeugt ist, die sich über den hinteren Außenabschnitt des Flügels erstreckt.
6. Regenerativpumpe nach Anspruch 5, bei der die Vorderfläche (18) jedes Flügels (8) etwa parallel zu der von der Abschrägung (20) entfernten Hinterfläche angeordnet ist.
7. Regenerativpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Außenkante (17) jedes Flügels (8) über im wesentlichen die gesamte radiale Abmessung des Flügels eine zur Rotationsebene des Flügelrads parallele ebene Oberfläche hat, um so mit benachbarten Abschnitten der Innenfläche des Gehäuses (1) zusammenzuwirken und den in Umfangsrichtung verlaufenden Fluidstrom dazwischen zu begrenzen.
8. Regenerativpumpe nach Anspruch 7, bei der die ebene Oberfläche auf der Außenkante (17) des Flügels neben dem ersten Radialabschnitt (20) schmaler als die ebene Oberfläche auf der Außenkante (17) des Flügels neben dem zweiten Radialabschnitt ist.
9. Regenerativpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Flügel (8) in Rotationsrichtung (R) des Flügelrads (5) auf ihre Außenkanten (17) hin vorwärts geneigt sind.
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